ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК G01T1/24 H01L31/02 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ионизирующему излучению, и предназначено для регистрации практически любых видов ионизирующего излучения как в технике, так и в медицине, в частности, при создании рентгеновского вычислительного ЭВМ-томографа.

В указанных областях использования детектор должен работать при комнатной температуре и имеет линейную люкс-амперную характеристику (ЛАХ) I ≈ А ^α, где α = 1.

Целью изобретения является получение линейной зависимости люкс-амперной характеристики при комнатной температуре.

В детекторе ионизирующего излучения с чувствительным элементом из полуизолирующего полупроводникового материала теллурида кадмия и контактами в качестве материала использован теллурид кадмия n-типа проводимости с концентрацией основных носителей заряда n≅ 5 ˙10⁷ см^-3 и концентрацией уровней прилипания N_n ≅10¹⁵ см ^-3, а контакты выполнены инжектирующими, причем напряжение к контактам приложено в прямом направлении.

Экспериментально установлено (по спектрам примесной фотопроводимости, спектральной зависимости термостимулированного тока), что кристаллы CdТе n-типа проводимости имеют концентрацию примесных центров, ответственных за поляризацию детектора при комнатной температуре, меньшую чем в кристаллах р-типа проводимости. Также экспериментально установлено, что наибольшая величина концентрации уровней прилипания и свободных носителей заряда в СdТе n-типа не должна превышать N_n ≅ 10¹⁵ см^-3, n ≅ 2 ˙10⁷ см^-3. Очень важно, что к детекторам, изготовленным из кристаллов с такой малой концентрацией носителей заряда, можно приложить высокое напряжение при малых токовых шумах. Однако малый темновой ток детектора при наличии омических (антизапорных) контактов не способен поддерживать такое заполнение центров прилипания для обоих знаков носителей, которое не нарушалось бы существенным образом при облучении детектора излучением в широком диапазоне интенсивности возбуждения.

Выполнение контактов инжектирующими обеспечивает при работе детектора, включенного в прямом направлении, режим двойной инжекции. Величина инжектированного заряда определяется разностью зарядов инжектированных электронов и дырок, захваченных на центры прилипания.

В этом случае облучение в широком диапазоне доз не приводит к дополнительному перезаполнению примесных центров в детекторе и поэтому зависимость ЛАХ строго линейна ( α= 1).

Для регистрации излучения был увеличен темновой ток в чувствительном элементе детектора, контакты были выполнены инжектирующими. Совокупность СdТе n-типа с концентрацией, близкой к собственной, с инжектирующими контактами приводит к сохранению эффективности сбора наведенных носителей заряда, а эффекты поляризации исключаются, что приводит к линейной ЛАХ.

Использование режима двойной инжекции, т. е. приложения напряжения в прямом направлении, например, в светодиодах известно.

Однако этот прием использовался для создания биполярной рекомбинации носителей тока с целью получения светового излучения.

Детектор в режиме двойной инжекции, выполненный из материала CdТе n-типа проводимости с n ≅ 10⁷ см^-3 и концентрацией центров прилипания N_n ≅ 10¹⁵ см^-3, обеспечивает стабилизацию перезаряженного состояния центров прилипания в темноте при возбуждении детектора излучения, а также обеспечивает малый темновой ток и соответственно малые шумы, что в совокупности приводит к новому положительному эффекту - строгой линейности ЛАХ.

На фиг. 1 изображена схема детектора ионизирующего излучения и способ его использования; на фиг. 2 - зависимость величины фототока от интенсивности возбуждения (ЛАХ).

Детектор ионизирующего излучения состоит из чувствительного элемента 1, выполненного на основе CdТе n-типа проводимости, и системы инжектирующих контактов 2 и 3, связанных с источником питания 4.

Детектор ионизирующего излучения работает следующим образом. При приложении к инжектирующим контактам 2 и 3 напряжения от источника питания 4 в прямом направлении в чувствительном элементе 1 темновой ток перезаполняет центры прилипания, а при воздействии ионизирующего излучения на чувствительный элемент 1 наведенный в нем сигнал снимается с контактов и передается в схему регистрации.

Примером конкретного выполнения предложенного устройства является детектор ионизирующего излучения с чувствительным элементом, выполненным на основе СdТе n-типа проводимости с концентрацией свободных носителей заряда n= 1,5˙ 10⁷ см^-3, N_n= 10¹⁵ см², полученный путем отжима исходного р-CdТе с р= 2 ˙10⁸ см^-3 и концентрацией примесных центров N_n= 10¹⁶ см^-3, при следующих температурных режимах: образец нагревался до 900^оС и выдерживался при этой температуре в течение 5 ч, затем производили охлаждение в три этапа:
I - с 900 до 600^оС со скоростью 60 град/ч;
II - с 600 до 300^оС со скоростью 30 град/ч;
III - с 300^оС до комнатной температуры, режим остывания не регулировался.

Приведенный отжим предполагает использование исходного СdТе с его предысторией: структурой, зависящей от условий выращивания, легирования; неконтролируемых загрязнений; условий высокотемпературного отжига, т. е. для воспроизводимого получения материала для детекторов необходимо проведение контрольных экспериментов, характеризующих исходные кристаллы.

Контакты выполнены путем напыления в вакууме In с одной стороны и Аu с противоположной.

Напряжение к контактам было приложено в прямом направлении таким образом, чтобы (-) источника был на Iu, а (+) на Аu в интервале приложенных напряжений от 10 до 25 В к образцу с размерами 2х2х10 мм³ и площадью контактов 2х10 мм².

Облучение проводилось рентгеновским излучением с энергией Е= 60 кэВ в импульсном t_u = 3 мс, так и в непрерывном режиме при изменении интенсивности потока от 10⁶ до 10⁹ квант/с. Эффекты поляризации отсутствовали, ЛАХ строго линейна (I= A^α , где α = 1) во всем измеряемом диапазоне интенсивностей, что видно из фиг. 2.

Таким образом, в предложенном детекторе ионизирующего излучения достигнут положительный эффект - отсутствие поляризации, приведшей к строгой линейности ЛАХ в широком диапазоне интенсивности излучения, что подтверждается данными экспериментальной проверки.

Поскольку в настоящее время весьма актуальна задача создания медицинских вычислительных томографических систем, в которых сейчас применяются для регистрации рентгеновского излучения в основном газовые и сцинтилляционные детекторы, предложенный детектор ионизирующего излучения позволяет повысить эффективность регистрации излучения и соответственно чувствительность к рентгеновскому излучению в сравнении с указанными детекторами, а также обеспечить компактность всей системы в целом. (56) Ponpon I. P. , Stuck R, Siffert P, Meyer B, Schaub C. ISSS, NS - 22, 1, 182, (1975).

Аркадьева Е. Н. , Карпенко В. П. и др. О возможности использования теллурида кадмия для детектирования импульсного рентгеновского излучения в медицинских томографах. - ЖТФ, 51, 1933 (1981).

1. ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ с чувствительным элементом из полуизолирующего полупроводникового материала теллурида кадмия и контактами, отличающийся тем, что, с целью повышения линейной зависимости люкс-амперной характеристики при комнатной температуре, в качестве указанного материала использован теллурид кадмия n-типа проводимости с концентрацией основных носителей заряда n 5 · 10⁷ см ^-3 и концентрацией уровня прилипания N_n ≅ 10¹⁵ см^-3, контакты выполнены инжектирующими. 2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что к его контактам напряжение приложено в прямом направлении.